“互聯(lián)網(wǎng)+”推進(jìn)森林資源調(diào)查走進(jìn)精準(zhǔn)林業(yè)新時(shí)代

■馮仲科

森林資源作為生物圈必備的資源和人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，如何快速、準(zhǔn)確、高效地對森林資源信息進(jìn)行獲取，實(shí)現(xiàn)森林資源的科學(xué)經(jīng)營管理與永續(xù)利用是林業(yè)工作者的工作重點(diǎn)。在我國，森林資源調(diào)查亦稱作“森林資源監(jiān)測”，主要包括：一類清查、二類調(diào)查、三類調(diào)查以及專業(yè)調(diào)查。其中，一類清查是為了了解宏觀森林資源現(xiàn)狀和動態(tài)，最后得到的清查結(jié)果反映了全國和各?。▍^(qū)、市）的森林資源和生態(tài)狀況，是林業(yè)方針政策、規(guī)劃、計(jì)劃的制定和調(diào)整的基礎(chǔ)，同時(shí)也為監(jiān)督檢查各地森林資源消長任期目標(biāo)責(zé)任制奠定了基礎(chǔ)；二類調(diào)查是為了滿足森林經(jīng)營方案、林業(yè)區(qū)劃、規(guī)劃設(shè)計(jì)與總體設(shè)計(jì)的需求而進(jìn)行的森林資源調(diào)查，其結(jié)果為建立或更新森林資源檔案、進(jìn)行林業(yè)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、森林資源管理、制訂采伐限額、制訂林業(yè)發(fā)展規(guī)劃和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃、實(shí)現(xiàn)森林資源資產(chǎn)化管理和森林生態(tài)效益補(bǔ)償提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；三類調(diào)查是對作業(yè)地段的森林資源、立地條件及更新情況展開的詳細(xì)調(diào)查，調(diào)查結(jié)果為造林更新、森林采伐、森林撫育等具體林業(yè)生產(chǎn)活動提供了重要依據(jù)；專業(yè)調(diào)查是為了滿足各項(xiàng)專業(yè)需求而制訂特定的調(diào)查方案，達(dá)到專項(xiàng)調(diào)查目的，從而為專業(yè)需求提供數(shù)據(jù)支持。

五溪山省級森林公園

森林資源調(diào)查技術(shù)體系尤其是觀測裝備和調(diào)查技術(shù)方法的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步密不可分，針對森林資源調(diào)查的各種不同需求，林業(yè)工作者所采用的調(diào)查方案體系、觀測裝備與技術(shù)方法是保證調(diào)查能夠得以順利進(jìn)行的前提和關(guān)鍵，是調(diào)查數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的重要保證。雖然三類調(diào)查方法都有其弊端和應(yīng)用局限性，但是就其解決森林調(diào)查需求來講，對我國森林資源調(diào)查系統(tǒng)的建立和完善有著積極的影響。

一、我國現(xiàn)有森林資源調(diào)查技術(shù)體系評述

我國森林資源調(diào)查最早始于甘肅省洮河林區(qū)的森林資源清查，是1950年林墾部組織的。從20 世紀(jì)60年代開始，抽樣調(diào)查理論及技術(shù)、遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、定位導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)等新型技術(shù)應(yīng)用到林業(yè)調(diào)查中，促進(jìn)了森林資源調(diào)查技術(shù)的發(fā)展，形成了我國森林資源調(diào)查技術(shù)體系的雛形。到20 世紀(jì)80年代，我國的森林資源調(diào)查基本框架才初步形成，正式提出國家森林資源調(diào)查分為三類：國家森林資源連續(xù)清查（一類調(diào)查）、森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查（二類調(diào)查）和作業(yè)設(shè)計(jì)調(diào)查（三類調(diào)查）。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，森林資源調(diào)查側(cè)重點(diǎn)已經(jīng)不再局限于單一測樹因子的獲取，多資源森林調(diào)查、測樹因子高效觀測以及森林觀測年度數(shù)據(jù)的獲取，逐漸成為現(xiàn)代化森林資源調(diào)查監(jiān)測的重點(diǎn)。

至此，我國已經(jīng)基本建成了全世界最為優(yōu)秀的森林資源調(diào)查體系，但近年來，這個(gè)體系在應(yīng)對全球氣候變化，森林生態(tài)環(huán)境建設(shè)，林權(quán)改革、交易，提供年度森林資源消長狀態(tài)等方面已凸顯出諸多問題。其中，一類調(diào)查野外工作量特大，周期長（5年）；二類調(diào)查周期長（一般10年）小班面積靠以往地形圖勾繪經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，蓄積量目估或角規(guī)測定蓄積量及密度精度低，生長量無法測定；三類調(diào)查每木檢尺工作量很大；專業(yè)調(diào)查大量伐倒解析木，一些單位已不做此項(xiàng)基礎(chǔ)工作；調(diào)查裝備還在沿用光學(xué)羅盤、機(jī)械測高器、角規(guī)、測桿、皮尺等，進(jìn)口裝備及GPS、GIS、RS 軟件功能單一，價(jià)格昂貴，不適合中國國情、林情；高分辨率遙感影像價(jià)格昂貴，中低分辨率遙感影像解決林業(yè)調(diào)查問題局限性很大。因此，我國森林資源調(diào)查迫切需要新理論、新裝備、新技術(shù)方案和新方法等，從而整體上破解我國已經(jīng)實(shí)際存在近30年的森林調(diào)查體系弊端，以及年度精確森林“三量”（面積量、蓄積量及生長量）數(shù)據(jù)難以獲取的瓶頸技術(shù)難題。應(yīng)不斷提升森林調(diào)查科技水平，并持續(xù)吸取國內(nèi)外行業(yè)先進(jìn)的技術(shù)、裝備、方案、方法，完善并發(fā)明新一代的森林調(diào)查體系。目前，對于森林調(diào)查技術(shù)體系與其它自然資源調(diào)查體系的統(tǒng)一與融合問題，有許多不同的看法和說法，這需要科學(xué)的論證，而不是簡單權(quán)威否定。

二、創(chuàng)建天地空立體化國家森林觀測工程技術(shù)體系

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在“互聯(lián)網(wǎng)+”大背景下，基于“互聯(lián)網(wǎng)+3S”思維，以森林資源的數(shù)量、質(zhì)量、空間分布、動態(tài)變化為研究對象，以森林調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)體系構(gòu)建、森林觀測裝備研制、森林觀測技術(shù)方法創(chuàng)新、信息化服務(wù)平臺建設(shè)為研究內(nèi)容，以大大減少森林調(diào)查野外工作量、內(nèi)業(yè)建模統(tǒng)計(jì)制圖批量自動高效處理、產(chǎn)出國家和區(qū)域年度“三量”數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)蓄積量M/生物量B/碳儲量C 精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為研究目標(biāo)，創(chuàng)建新一代森林資源調(diào)查技術(shù)體系。

基于互聯(lián)網(wǎng)+遙感覆蓋+基礎(chǔ)地理信息+土壤+氣候氣象+微樣地信息+固定樣地信息+水文地質(zhì)信息等數(shù)據(jù)，將森林生態(tài)系統(tǒng)在全球陸表依國界線按行政管理區(qū)域?yàn)槭。ㄖ陛犑?、區(qū)）——地（市、國有大林業(yè)局）——縣（區(qū)、國有大林場），以縣（區(qū)、國有大林場）為森林資源管理的基本單元，自動區(qū)劃為營林區(qū)——林班——小班，根據(jù)已有森林起源、樹（喬、灌）種、年齡、郁閉度或株數(shù)密度、坡度、坡向級、土壤厚度7 類小班要素41 個(gè)因子，將一般縣域平均區(qū)劃小班1.68 萬個(gè)左右?；贕IS 將縣域全部小班根據(jù)調(diào)查因子聚類分析為300 個(gè)左右獨(dú)立異質(zhì)化小班類小班，以縣域級為基本調(diào)查單位逐級區(qū)劃到小班及面積平差，結(jié)合已有小班區(qū)劃及卡片自動提取判讀糾正小班主要測樹因子，通過GPS 定位、定標(biāo)、定時(shí)觀測獨(dú)立異質(zhì)化小班，利用微樣地（5—9 棵樣木）或3D 電子角規(guī)樣點(diǎn)（7—10 棵樣木）精準(zhǔn)測定統(tǒng)計(jì)林分株樹密度N、平均胸徑d、平均高H、蓄積量M、林分年齡A 等32 個(gè)小班因子。通過連年觀測微樣地，應(yīng)用GIS 對應(yīng)分析功能，建立互聯(lián)網(wǎng)+GIS+RS+UAV+反演模型+年度造林計(jì)劃/采伐計(jì)劃+微樣地/3D 角規(guī)樣點(diǎn)，依照相似性原則實(shí)現(xiàn)未實(shí)測小班反演分類計(jì)算d、H、M 等因子，預(yù)留20%—30%微樣地不參加反演模型研建，用于評定反演精度評定，平均誤差不超過5%、10%、15%時(shí)，分別評定為優(yōu)、良、合格，超過15%為不合格，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)出縣域森林調(diào)查“三量”數(shù)據(jù)。

概括來講，新一代森林資源調(diào)查技術(shù)體系較傳統(tǒng)體系有了較大的創(chuàng)新和改進(jìn)，特征對比明顯，體系更具系統(tǒng)性、科學(xué)性和合理性。新一代體系從整個(gè)流程上可分為：基于“互聯(lián)網(wǎng)+”，研建國家森林調(diào)查小班數(shù)據(jù)庫；以縣域級為基本調(diào)查單位，聚類分析獨(dú)立異質(zhì)化小班類小班；森林小班精準(zhǔn)測樹技術(shù)，GPS 精準(zhǔn)定位、定標(biāo)、定時(shí)精測300 個(gè)微樣地，獲取連年小班測樹因子；研建樹種反演模型并反演統(tǒng)計(jì)未實(shí)測小班測樹因子，評定精度，進(jìn)而可產(chǎn)出年度森林資源動態(tài)“三量”精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

三、新一代資源調(diào)查技術(shù)體系關(guān)鍵技術(shù)

（一）主要理論?；诙嗥趪乙活愡B清數(shù)據(jù)，應(yīng)用人工智能原理和算法，擬合推估了我國喬木樹種胸徑、樹高、蓄積量、生物量、碳匯量、生長量、生產(chǎn)力與全國格局（經(jīng)緯度、海拔、降雨量、氣溫）、地塊結(jié)構(gòu)（坡向、坡度、坡位、土壤厚度）之間的時(shí)—空質(zhì)量關(guān)系模型，通過空間分析，首創(chuàng)生成了我國樹種生長速度加速度表。全國任一地塊喬木生長結(jié)構(gòu)、格局指數(shù)分布圖表、全國3S 技術(shù)森林蓄積量圖、全國林地蓄積量分布圖、全國林地生產(chǎn)力圖、基于EC 值得全國樹種密度分布圖、全國林火火險(xiǎn)等級模型及靜態(tài)分布圖等創(chuàng)新成果，為林業(yè)布局管理、森林資源管理、經(jīng)營方案編制、造林規(guī)劃設(shè)計(jì)提供全國尺度的基礎(chǔ)知識。

首創(chuàng)了森林小班精準(zhǔn)經(jīng)營作業(yè)法，推證人工用材林最佳輪伐期；實(shí)現(xiàn)年度收益最大。在造林模式設(shè)計(jì)中，首創(chuàng)了仿天然（近自然）——異齡級——最優(yōu)密度——逐年擇伐的造林模式，應(yīng)用3S 技術(shù)、拓普關(guān)系、樹冠徑幾何相切及水熱平衡方程創(chuàng)建全國任一地塊樹種最大密度模型，把現(xiàn)有人工同齡純林函數(shù)改造為異齡混交林；在已有天然林經(jīng)營中創(chuàng)建了基于無人機(jī)服務(wù)的精準(zhǔn)經(jīng)營系統(tǒng)，研建攝影觀測構(gòu)建冠型冠徑樹種胸徑模型，按樹種混交比例優(yōu)化樹種面積分布，創(chuàng)立單木樹冠競爭生長量指標(biāo)（FSCG），以FSCG 最為樹木成熟年齡，優(yōu)化樹種年度面積、密度算法，實(shí)現(xiàn)天然林結(jié)構(gòu)優(yōu)化，每年收獲不超過生長量的木材。

（二）主要裝備平臺。對于精準(zhǔn)林業(yè)，北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)了森林樣地觀測無人機(jī)、手持式測樹超站儀、CCD 超站儀等系列森林觀測裝備及對應(yīng)的后期處理軟件，發(fā)明了立木精測技術(shù)、5—9 棵樹微樣地法、3D 電子角規(guī)林分觀測法以及3D 景觀三維建模技術(shù)，研建了內(nèi)外業(yè)一體化森林經(jīng)理應(yīng)用與多終端服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)了森林資源一、二、三類調(diào)查的信息化、智能化和自動化。開發(fā)出依托互聯(lián)網(wǎng)的縣域級林地區(qū)劃、地面小樣本抽樣高效精測系統(tǒng)，用于統(tǒng)計(jì)縣域級年度面積量、蓄積量、生長量。研建無人機(jī)造林技術(shù)平臺、無人機(jī)滅火灑藥技術(shù)體系、無人機(jī)擇伐技術(shù)體系。近期，遼陽市選用北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)團(tuán)隊(duì)自主研制的手持式測樹超站儀等新一代森林觀測裝備，利用5—9 棵樹微樣地法/3D 電子角規(guī)林分觀測技術(shù)，對遼陽市13 個(gè)樹種、1 個(gè)灌木組 2010 個(gè)林木進(jìn)行了精測：對300 余個(gè)森林微樣地進(jìn)行了立木精測和小班觀測實(shí)驗(yàn)，并用森林經(jīng)理應(yīng)用服務(wù)平臺對森林樣地進(jìn)行規(guī)劃、管理和服務(wù)。

（三）基本實(shí)踐。在北京市、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)、福建金森、新疆自治區(qū)林業(yè)重大項(xiàng)目辦、旺業(yè)甸林場、平朔露天礦區(qū)、廣東云浮等全國各地的精準(zhǔn)林業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目正在穩(wěn)步推進(jìn)中。精準(zhǔn)林業(yè)為我們的經(jīng)典林業(yè)現(xiàn)代化插上了騰飛的翅膀，無人機(jī)、機(jī)器人、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算為人們高效測樹、灑藥、滅火、造林、擇伐，代替了野外繁重的體力勞動；互聯(lián)網(wǎng)+3S，使我們在辦公室就能利用生長模型和環(huán)境要素觀測出陸表任意一棵樹的實(shí)時(shí)生長狀態(tài)和精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，全球、國家、區(qū)域年度碳匯量可以精確預(yù)測統(tǒng)計(jì)：森林給人類帶來的環(huán)境效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值、社會效果可以被更精確地評估。

對我國的國民經(jīng)濟(jì)整體發(fā)展情況來說，農(nóng)業(yè)一直是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，而林業(yè)作為農(nóng)業(yè)的重要組成部分，對我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展起到了重要的作用。精準(zhǔn)林業(yè)通過大量實(shí)踐雖然已累積了很多經(jīng)驗(yàn)，取得一些科研成果，但還屬于起步階段，在探索發(fā)展中仍存在一些問題。因此，我們應(yīng)優(yōu)化改善精準(zhǔn)林業(yè)技術(shù)，保證林業(yè)的整體生產(chǎn)質(zhì)量以及生產(chǎn)效益都能夠得到全面提升，這也是促進(jìn)國家實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)的關(guān)鍵。

農(nóng)田林網(wǎng)